腸道菌群與2型糖尿病及益生菌關系的研究進展

孫建然,惠燦燦,鄧大同,鄭紅英

(安徽醫科大學第一附屬醫院內分泌科,安徽 合肥　230022)

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腸道菌群與2型糖尿病及益生菌關系的研究進展

孫建然,惠燦燦,鄧大同,鄭紅英

(安徽醫科大學第一附屬醫院內分泌科,安徽 合肥230022)

摘要：糖尿病等代謝性疾病已經成為威脅人類社會和健康的重要問題之一。2型糖尿病患者腸道菌群與健康人不同,其中腸道菌群在其發生和發展過程中都發揮了巨大的作用。益生菌可以通過改善腸道通透性、增強機體免疫力等多種機制對2型糖尿病起到預防和改善作用。這一新興的學術領域的飛速發展不但有助于闡明代謝性疾病的發病機制,而且將為探索新的治療靶點和途徑提供方向。

關鍵詞:腸道菌群；2型糖尿病；益生菌

人體腸道中生活著的微生物稱之為腸道菌群，主要來自9個菌門，包括Firmicutes(厚壁菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)、Actinobacteria(放線菌門)、Fusobacteria(梭菌屬)、Proteobacteria(變形菌門)、Verrucomicrobia(疣微菌門)、Cyanobacteria(藍藻菌門)、spirochaetes(螺旋體門)和VadinBE97，其中厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacter-oidetes)為優勢菌群。成人腸道棲息約有104數量級的細菌，大約是人體細胞數量(103)的10倍左右，細菌重量約在1～1.5 kg，數量如此龐大的細菌攜帶的基因數是人體的100倍，被統稱為宏基因組，為影響著機體健康的“第二基因組”，與人體基因組一起通過環境條件的相互作用，共同影響著人體的病理生理狀態[1]。腸道菌群的主要生理功能包括：營養與物質代謝；抗腫瘤，通過激活巨噬細胞進而抑制致癌物和輔致癌物的形成；增強宿主細胞的免疫功能，通過刺激腸上皮潘氏細胞釋放抗菌性防御素；有利于腸道杯狀細胞合成黏液進而形成一道生物屏障，從而發揮生物拮抗作用等[5]。腸道菌群為宿主提供自身不具備的生化代謝通路和酶，一旦腸道菌群失調，則引起人體的代謝紊亂。有研究表明，腸道菌群和2型糖尿病的發生發展密切相關[2]。而益生菌作為活的微生物添加劑，可以改善腸道微生物系統，賦予宿主某種益處。Jacob[3]提出，益生菌可能將會成為預防和改善糖尿病等多種代謝性疾病的一種有效手段。

1腸道菌群和2型糖尿病

2型糖尿病的發病機制十分復雜，其不僅僅歸因于人體基因組、飲食習慣的改變或體力活動的減少，腸道菌群在維護人體健康方面發揮著巨大的作用。在2型糖尿病的早期中，胰島素抵抗已經導致了腸道菌群的顯著變化，而肥胖是產生胰島素抵抗的重要因素。Daniel等[4]在一項瘦素缺乏的OB小鼠模型中，通過測定腸道菌群末端的16sRNA序列，結果發現盡管它的母親及兄弟姐妹都給予同樣的飲食，而瘦素缺乏的OB小鼠表現為擬桿菌門Bacteroid-etes——“瘦菌”的數量下降，厚壁菌門Firmicutes——“胖菌”的數量增加。進一步的研究發現，小鼠和人類的腸道菌群差異很大，但最主要的兩種腸道菌群是一致的，即厚壁菌門和擬桿菌門。一項新的研究將一胖一瘦的成年雙胞胎女性排泄物中的腸道菌群移植到無菌小鼠喂養的低脂食物中，結果發現移植了雙胞胎中胖者腸菌的小鼠(Ob小鼠)比瘦者腸菌的小鼠(Ln小鼠)體質量增加了更多同時出現了肥胖相關的代謝表型。研究者將兩組小鼠同籠飼養5 d后，肥胖小鼠變得消瘦，其代謝模式變得與另一組相似。相反，移植瘦者腸道菌群的無菌小鼠則保持自身的代謝狀態而未受到其籠伴微生物的影響。菌群分析顯示Ob小鼠瘦菌增多且這種入侵性的瘦菌是擬桿菌門。表明宿主基因的表達和代謝狀態可以通過攝入腸道菌群傳播[5]。Chatelier等[6]利用全基因組關聯分析由169例肥胖者和123例非肥胖者組成的樣本，按照腸道菌群的基因數量分為兩組：低菌群基因組(LGC組)和高菌群基因組(HGC組)。結果發現LGC組比HGC組體脂含量升高、有更明顯的胰島素抵抗、血脂異常和胰島素抵抗；在生物分類門水平，LGC組以變形菌門和擬桿菌門居多，而HGC組以疣微菌門、放線菌門及廣古菌門多；在抗炎菌屬的分類上，HGC組以柔嫩梭菌群居多，LGC組則以促炎性的菌屬如擬桿菌、活潑瘤胃球菌，這些菌門都與炎癥性腸病息息相關；基因研究也表明LGC組抵抗氧化應激能力相關基因和某些促腫瘤過程相關的基因(β-葡萄糖苷酸降解、芳香族氨基酸代謝等)較多。由此可見，肥胖不僅與腸道菌群的數量和結構相關，與其基因多樣性亦存在一定關系。

慢性炎癥因子水平升高是胰島素抵抗導致的2型糖尿病的主要原因之一。Cani等[7]認為長期肥胖會使腸道緊密連接蛋白ZO-1和Occludin破壞，進一步引起內源性大麻素系統的紊亂導致腸道通透性的改變；還會導致革蘭陰性桿菌增加，其細胞壁成分的脂多糖不斷地釋放入血，經過Toll樣受體(TLRs)抗原提呈，形成抗原抗體復合物TLR4 (CD14/TLR4 complex)，進而誘導全身性炎癥反應。不斷積累的慢性炎癥和氧化應激可能導致胰島β細胞的凋亡，最終引起2型糖尿病[8]。為分析2型糖尿病患者腸道微生物的組成，Qin等[9]對345例中國受試者進行了一項宏基因組—全基因組關聯研究(MGWAS)。結果顯示2型糖尿病患者以中度腸道微生物菌群失調為特征，一些常見的產丁酸鹽細菌羅氏菌屬和柔嫩菌群豐度下降，而各種條件致病菌(如糞擬桿菌等)、硫酸鹽還原菌增多。值得注意的，健康對照組中的副流感嗜血桿菌較糖尿病組顯著增加，對宿主的生理功能有待進一步研究。而對23例受試者的分析證實這些腸道微生物指標可能有助于診斷2型糖尿病。盡管1型糖尿病和2型糖尿病的發病機制不同，有研究發現1型糖尿病患者體內也存在腸道菌群失調[10]。

2腸道菌群與2型糖尿病的致病機制

2.1炎癥假說近年來，肥胖等相關代謝性疾病都存在不同程度的慢性低度炎癥反應，以代謝性內毒素血癥和內源性大麻素系統紊亂為特點。Caesar等[11]首次提出代謝性內毒素血癥的概念。研究者給正常喂養小鼠持續皮下注射大腸桿菌脂多糖，4周后小鼠體質量及肝臟、脂肪組織重量增加，空腹血糖、甘油三酯及炎性標志物增加并引起高胰島素血癥和肝細胞胰島素敏感性下降。脂多糖與血中脂多糖結合蛋白結合后，在骨骼肌和脂肪等外周組織結合CD14和Toll樣受體4從而引起巨噬細胞聚集，促進炎性因子釋放，引起胰島素受體底物-1異常磷酸化，導致胰島素抵抗的發生[12]。

2.2能量存儲假說腸道菌群可以幫助宿主利用營養物質的同時，產生的代謝產物對人體也產生一定影響，如肥胖、胰島素抵抗、代謝綜合征等。機制包括：(1)發酵宿主自身不能消化的成分，將其轉化成短鏈脂肪酸(SCAFs)，包括乙酸、丙酸、丁酸等，從而促進脂肪的合成和存儲。Remety等[13]發現肥胖和2型糖尿病患者腸道菌群構成的改變會影響短鏈脂肪酸受體的表達進而影響到宿主饑餓和飽食周期。腸道菌群既可以控制膽汁酸的合成又可以促使它生成次級代謝產物。Watanabe等[14]研究表明膽汁酸與細胞表面的膽汁酸受體和G蛋白偶聯受體(GGPCRs)結合可激活細胞核受體FXR，進而提高環磷酸腺苷(cAMP)水平，促進褐色脂肪組織消耗，從而阻止肥胖和胰島素抵抗。Ryan等[15]發現垂直袖狀胃切除手術(VSG)對肥胖小鼠的療效不僅來自胃容量減少所產生的機械限制作用還與胃容量減少導致的循環膽汁酸水平的增加和腸道菌群的變化有關；(2)下調腸上皮細胞產生的禁食誘導脂肪細胞因子(FAIF)的表達，進而促進脂肪酸在骨骼肌和脂肪細胞中的氧化。

3腸道菌群紊亂的干預措施

3.1益生菌 益生菌可以改善腸道菌群、調節免疫炎癥反應,逆轉高脂飲食誘導的腸道通透性增加,進而減少革蘭陰性菌及其衍生物的易位。

3.1.1動物實驗Fukuda等[16]使用腸出血性大腸桿菌O157：H7(E. coli O157:H7)和一株特異性雙歧桿菌導入小鼠體內,結果發現雙歧桿菌編碼的ATP結合區碳水化合物轉運因子基因(ATP-binding-cassette-type carbohydrate transporter)保護了小鼠免受E.coli O157:H7誘發的感染性死亡。這與雙歧桿菌發酵膳食纖維產生大量的醋酸鹽和抑制E.coli O157:H7產生的志賀毒素入血有關。Amar等[17]用雙歧桿菌420對高脂飲食誘導的2型糖尿病小鼠進行為期1個月的治療,發現每日攝入1×109cfu的雙歧桿菌420能有效減少革蘭陰性菌的易位,糖耐量也有所好轉,胰島素的敏感性治療后也恢復正常。糖尿病腎病是是糖尿病微血管病變的表現,而控制好血糖可以減輕和延緩腎臟的纖維化。Lu等[18]用1×109cfu羅伊氏乳桿菌(Lactobacillus reuteriGMNL-26)對STZ誘導的糖尿病大鼠進行治療后發現糖尿病大鼠中纖溶酶原激活物抑制劑-1、p21WAF1/CIP1蛋白、α-平滑肌肌動蛋白和纖維蛋白水平顯著降低。此研究表明羅伊氏乳桿菌可以保護大鼠免受高血糖引起的腎臟纖維化。

3.1.2人體實驗Andreasen等[19]給45例2型糖尿病和糖耐量受損的患者每天攝入1.5×1011cfu嗜酸乳桿菌(lactobadllus acidophilus NCFM)4周后，與糖耐量正常的患者組成的對照組相比，患者的胰島素敏感性得到明顯改善。Moroti等[20]給20例2型糖尿病患者每日攝入含有108 UFC·mL-1的嗜酸乳桿菌(lactobacillus acidophilus)、108 UFC·mL-1的雙歧桿菌(bifidobacterium bifidum)和2 g低聚果糖的合生元shake飲料200 mL，持續30 d后發現高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)含量顯著增加并且其血糖水平顯著降低。氧化應激是2型糖尿病的一項重要發病機制，糖尿病患者常伴隨自由基產物的增加和抗氧化防御系統的破壞[21]。Ejtahed等[22]給2型糖尿病患者每日攝入嗜酸乳桿菌(lactobacillus acidophilus La5)和雙歧桿菌(bifidobacterium lactis Bb12)益生菌酸奶300 g后發現糖尿病患者的空腹血糖和糖化血紅蛋白水平顯著降低且紅細胞過氧化物歧酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性及總抗氧化能力顯著增加。

3.2益生元益生元可促進腸內一種或多種益生菌生長繁殖且不被宿主消化的食物成分，如雙歧因子、低聚糖等[23]。Dewulf等[24]發現菊粉型果聚糖(ITF)可以提高腸道中雙歧桿菌和柔嫩梭菌群水平、降低血液中的內毒素和輕微地降低了體質量。

3.3抗生素抗生素可改變細菌誘導的代謝途徑。Mikkelsen等[25]給12名志愿者采取雞尾酒式的口服抗生素療法(萬古霉素500 mg、慶大霉素40 mg、美羅培南500 mg)，結果發現腸道菌群的多樣性和豐度急劇下降而循環血液中胃腸激肽(PYY3-23)急劇上升，抑胃多肽(GIP)、胰高素血糖樣肽(GLP-1)、膽囊收縮素(CCK)、胃泌素、葡萄糖耐量無明顯變化。該研究表明超廣譜抗生素雖然導致了腸道菌群的改變但是沒有影響正常人的糖耐量。

3.4降糖藥物目前有循證醫學證據的主要是阿卡波糖和二甲雙胍，它們可以通過調節腸道菌群增加益生菌的含量，從而改善慢性低度炎癥、減輕胰島素抵抗[26]。紀立農等[27]對52例糖尿病前期患者進行一項隨機、雙盲、交叉、安慰劑對照研究，阿卡波糖治療4周后發現阿卡波糖可增加腸道內乳酸桿菌類益生菌群的豐度，降低有害菌的比例，改善腸道微生態環境。劉海霞等[28]對118例2型糖尿病患者通過測定糞便中雙歧桿菌、糞腸球菌的含量，經過4周治療后發現型2型糖尿病患者腸道雙歧桿菌數量顯著增加，體內脂多糖水平降低。Shin等[29]給予高脂飲食喂養的小鼠服用二甲雙胍后，腸道內黏液素降解菌(akkermansia spp)明顯增多，產生黏液素杯狀細胞數量明顯增加，脂肪組織炎癥明顯緩解。

4展望

腸道菌群作為人體后天獲得的一個重要“器官”，影響著宿主的營養、代謝及免疫功能[30]。本文闡述了腸道菌群與2型糖尿病之間的關系，而糾正腸道菌群失調可能成為預防或治療肥胖、糖尿病等代謝性疾病的新靶點[31]。相關研究已經證實了益生菌可以改善糖尿病患者腸道菌群失調、減輕慢性低度炎癥，保持良好的飲食習慣、經常攝入益生菌或益生元可以有效預防糖尿病的發生。然而，關于其具體機制及臨床指標之間的關系尚缺乏定論，今后仍需就益生菌的安全性、穩定性及其預防代謝性疾病的確切機制進行更加深入和系統的研究[32]。

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The research progress on the relationship between gut microbiota and type 2 diabetes mellitus and probiotics

SUN Jian-ran,HUI Can-can, DENG Da-tong，et al

(DepartmentofEndocrinology,TheFirstAffiliatedHospitalofAnhuiMedicalUniversity,Hefei,Anhui230022,China)

Abstract:Metabolic diseases such as diabetes have been the most serious problems for our society. Recent studies show that the structure and function of gut microbiota in patients with type 2 diabetes differ from those in healthy people. Gut microbiota plays an important role in the early onset and deterioration of the diabetes. Probiotic are living organisms, which are helpful in the prevention and alleviation of type 2 diabetes by improving the intestinal permeability, enhancing immunity and other mechanisms. The rapid progress in this emerging field will not only contribute to the elucidation of the pathogenesis of metabolic diseases, but also provide directions for exploring new therapeutic targets and pathways.

Key words：gut microbiota;type 2 diabetes;probiotics

(收稿日期：2016-01-20,修回日期：2016-02-20)

doi:10.3969/j.issn.1009-6469.2016.04.005

作者簡介：孫建然,男,碩士研究生通信作者：鄧大同,男,主任醫師,碩士生導師,研究方向：糖尿病與甲亢,E-mail:dengdatong69@163.com